DE102007019347B3

DE102007019347B3 - Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser

Info

Publication number: DE102007019347B3
Application number: DE102007019347A
Authority: DE
Inventors: Thomas Melin; Joachim Gebel; Sueleyman Yuece
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-04-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, wobei das Meerwasser durch Nanofiltration vorgereinigt und anschließend einer Meerwasserentsalzungsanlage (1) zugeführt wird. Erfindungsgemäß werden für die Nanofiltration getauchte Membraneinheiten (2) verwendet, die mindestens 30 Meter tief in das Meer abgesenkt werden. Das Nanofiltrat wird durch zumindest eine permeatseitig installierte Pumpe abgepumpt und durch eine Rohrleitung (3) der Meerwasserentsalzungsanlage (1) zugeführt, die an Land oder auf einer Off-Shore-Plattform installiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, wobei das Meerwasser durch Nanofiltration vorgereinigt und anschließend einer Meerwasserentsalzungsanlage zugeführt wird. Bei der Meerwasserentsalzungsanlage kann es sich um eine thermische Entsalzungsanlage handeln, die z. B. nach dem Multi-Stage-Flash-Verfahren arbeitet, oder um eine Umkehrosmoseanlage. Solche Umkehrosmoseanlagen können entweder an Land, auf einer Off-Shore-Plattform oder beispielsweise gemäß WO 2006/130758 A1 auf einem Schiff betrieben werden. Eine Umkehrosmoseanlage zur Entsalzung von Meerwasser wird bei einem Druck von mehr als 40 bar betrieben und enthält Entsalzungsmembranen, die ein hohes Rückhaltevermögen für gelöste ein- und zweiwertige Salze aufweisen.
Das zu entsalzende Wasser muss vor Eintritt in die Meerwasserentsalzungsanlage vorgereinigt werden. Bei kommerziellen Anlagen zur Meerwasserentsalzung besteht die Vorbehandlung zumeist aus Sandfiltern, Flockungs- und Filtrationsstufen zur Abtrennung von Schwebstoffen. Es ist ferner bekannt, das zu entsalzende Wasser durch Mikrofiltration oder Ultrafiltration vorzureinigen. Bei der Mikrofiltration und Ultrafiltration handelt es sich um Druckfiltrationen mit mikroporösen Membranen, die Schwebstoffe sowie hochmolekulare Inhaltsstoffe zurückhalten, aber kein Rückhaltevermögen für gelöste ein- oder zweiwertige Salze aufweisen. Durch eine Vorbehandlung durch Mikrofiltration oder Ultrafiltration ist eine im Wesentlichen konstante, hohe Wasserqualität des Feedwassers bei Eintritt in die Meerwasserentsalzungsanlage gewährleistet.
Von HASSAN et al. wurde erstmals eine Nanofiltration als Vorreinigungsstufe vor einer Meerwasserentsalzungsanlage vorgeschlagen (Desalination 118 (1998), Seiten 35 bis 51). Im Unterschied zur Mikrofiltration und Ultrafiltration verringert die Nanofiltration nicht nur die Menge an Schwebstoffen sondern auch den Salzgehalt des Rohwassers vor Eintritt in die Meerwasserentsalzungsanlage, da Nanofiltrationsmembranen ein hohes Rückhaltevermögen für zweiwertige Ionen und ein geringes Rückhaltevermögen für einwertige Ionen aufweisen. Zweiwertige Ionen, insbesondere Ca²⁺ und SO₄ ^2–, sind für eine Belagbildung im Entsalzungsprozess verantwortlich. Die Konzentration dieser Ionen beschränkt die mögliche Gesamtausbeute einer Meerwasserentsalzungsanlage. In Versuchen konnte durch Verwendung der Nanofiltration als Vorstufe einer Meerwasserentsalzungsanlage der TDS-Gehalt um 57,7% gesenkt werden. Zweiwertige Ionen, wie Ca²⁺ und SO₄ ^2– konnten zu 89,6% und 97,8% zurückgehalten werden. Eine nachgeschaltete Umkehrosmoseanlage zur Meerwasserentsalzung konnte mit einer Gesamtausbeute von 70 bis 80% betrieben werden, wobei bei kommerziellen Anlagen mit einer konventionellen Vorbehandlung eine Ausbeute von 40 bis 60% üblich ist. Aufgrund des geringeren Salzgehaltes des Nanofiltrats konnte der Einsatz von Antiscalants in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseanlage zur Meerwasserentsalzung vermieden oder zumindest deutlich verringert werden. Ein ähnliches Verfahren wird in WO 2004/085040 A2 beschrieben.
Wird die Nanofiltration beispielsweise gemäß DE 600 03 564 T2 als Vorstufe einer thermischen Meerwasserentsalzungsanlage eingesetzt, kann die nachgeschaltete Meerwasserentsalzungsanlage aufgrund des geringeren Anteils an zweiwertigen Ionen mit einer höheren Prozesstemperatur betrieben werden, was bei gleichem Energieeintrag zu einer Steigerung der Wasserproduktion um 25 bis 45% führt (L. AWERBUCH; Desalination and Water Reuse 15-1 (2005) 18 bis 28).
Die generelle Eignung der Nanofiltration als Vorstufe einer Meerwasserentsalzungsanlage ist gemäß WO 99/16714 A1 bekannt. Allerdings sind die Betriebskosten der vorgeschalteten Nanofiltration hoch, da das Meerwasser vom Einlass im Meer durch ein Rohrleitungssystem zur Vorbehandlungseinheit gepumpt und dann auf den für die Nanofiltration notwendigen Druck von 5 bis 25 bar gebracht und der Nanofiltrationseinheit zugeführt werden muss. Durch den Rückhalt der Nanofiltrationsmembranen steigt feedseitig die Salzkonzentration, so dass es zu Kristallablagerungen an der Membranoberfläche kommen kann. Dadurch sinkt die Gesamtperformance des Systems, denn der Filtrationsfluss nimmt ab und es ist auch eine dauerhafte Membranschädigung möglich. Zur Verhinderung einer Belagbildung an den Membranoberflächen muss die Ausbeute der Nanofiltration beschränkt werden. Praktikabel ist eine Ausbeute von maximal 65%. Ein Großteil der Energie, die zur Aufbringung des Druckes eingesetzt wird, geht verloren, da ein großer Teil des unter Druck gesetzten Wassers die Anlage als Konzentratstrom wieder ungenutzt verlässt. Abgesehen von den Energiekosten müssen ferner Kosten für Chemikalien berücksichtigt werden, die zur Verhinderung von Scaling und Fouling der Membranen zugegeben werden müssen. Aus den beschriebenen Gründen hat sich das von HASSAN vorgeschlagene Verfahren kommerziell nicht durchsetzen können.
Es sind des weiteren submarine Umkehrosmoseanlagen zur Meerwasserentsalzung bekannt, wie sie beispielsweise in DE 196 47 358 A1 beschrieben sind. Bei einer solchen submarinen Wasserentsalzungsanlage wird der erforderliche Druck durch den hydrostatischen Druck des Wassers bereitgestellt und die natürliche Strömung des Meerwassers zum Transport des zu entsalzenden Wassers an die Membrane genutzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs beschriebenen Verfahren die Betriebskosten der vorgeschalteten Nanofiltration und insbesondere den Energiebedarf für die vorgeschaltete Nanofiltration zu reduzieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Nanofiltration getauchte Membraneinheiten verwendet werden, die mindestens 30 Meter tief in das Meer abgesenkt werden, und dass das Nanofiltrat durch zumindest eine permeatseitig installierte Pumpe abgepumpt und durch eine Rohrleitung der Meerwasserentsalzungsanlage zugeführt wird, die an Land oder auf einer Off-Shore-Plattform installiert ist. Vorzugsweise werden die Membraneinheiten in einer Tiefe zwischen 30 Metern und 250 Metern installiert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der für die Nanofiltration erforderliche Betriebsdruck durch den hydrostatischen Druck des Meerwassers aufgebracht. Der statische Druck in der angegebenen Tiefe liefert die Triebkraft für den Wassertransport durch die Membranen. Lediglich das anfallende Nanofiltrat muss auf Meereshöhe gepumpt und zur Meerwasserentsalzungsanlage gefördert werden. Im Vergleich zu einer konventionellen Nanofiltrationsanlage, die mit einer Ausbeute von höchstens 65% betrieben werden kann, ist eine Senkung des Energiebedarfes um ca. 35% möglich.
Die Membraneinheiten können mit Schwimmkörpern ausgerüstet und an einem Anker gesichert frei schwebend im Abstand zum Meeresboden gehalten werden. Permeatseitig sind die Membraneinheiten an mindestens einen belüfteten, unter atmosphärischem Druck stehenden Schwimmbehälter angeschlossen, aus dem das Nanofiltrat abgepumpt wird.
Die getauchten Membraneinheiten benötigen keinen äußeren Druckkörper. Die Nanofiltrationsmembranen werden der Meeresströmung unmittelbar ausgesetzt und weisen eine außenliegende aktive Schicht auf. Als Membranen können Hohlfasermembranen, Kapilarmembranen oder auch flächige Membranen verwendet werden, die jeweils vorzugsweise vertikal ausgerichtet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden als Membraneinheiten Membrantaschen verwendet, die jeweils aus zwei Flachmembranen und einer dazwischen liegenden Drainageschicht für den Abtransport des Nanofiltrats bestehen. Die Membrantaschen sind an mindestens einer Längsseite an einen Permeatsammelraum angeschlossen, während die übrigen Längsseiten der Membrantaschen flüssigkeitsdicht versiegelt sind. Für das erfindungsgemäße Verfahren können des Weiteren als getauchte Membraneinheiten Faserbündel aus Hohlfasermembranen oder Kapilarmembranen verwendet werden, die an mindestens einem Ende an einem Permeatsammelraum angeschlossen sind.
Im Unterschied zu einer konventionellen Nanofiltration ist es vorteilhaft, die getauchten Membraneinheiten so zu betreiben, dass sich ein relativ niedriger Permeatfluss bezogen auf die Membranoberfläche einstellt. Dies bietet zwei Vorteile. Durch die ständige Überströmung der Membranen und den geringen Fluss über die Membranen findet nur eine geringe Aufkonzentration der an den Membranen zurückgehaltenen Inhaltsstoffe in membrannahen Schichten statt. Die so genannte Konzentrationspolarisation, welche den Betrieb von Membraneinheiten beeinträchtigt, kann dadurch gering gehalten werden. Durch die nur wenig veränderte Salzkonzentration auf der Feedseite in Membrannähe wird ein Scaling dauerhaft verhindert. Dadurch kann auf den Einsatz von Antiscalants zur Verhinderung von Belagbildungen auf den Nanofiltrationsmembranen verzichtet werden.
Vorzugsweise werden Nanofiltrationsmembrane verwendet, die unter den im Tauchbetrieb herrschenden Bedingungen ein Rückhaltevermögen für zweiwertige Ionen, insbesondere Ca²⁺ und SO₄ ^2–, von mehr als 60%, vorzugsweise 80 bis 98%, aufweisen. Die Nanofiltrationsmembranen sollten ferner unter den im Tauchbetrieb herrschenden Bedingungen ein geringes Rückhaltevermögen für einwertige Ionen von weniger als 50%, vorzugsweise von weniger als 25% aufweisen.
Zur Reinigung der Membranoberflächen kann von Zeit zu Zeit entsalztes Wasser aus der Entsalzungsanlage oder salzarmes Brackwasser den Permeatraum der abgetauchten Membraneinheiten zugeführt und eine osmotische Rückspülung der Nanofiltrationsmembranen durchgeführt werden.
Durch die osmotische Rückspülung entfällt die Notwendigkeit einer herkömmlichen chemischen Reinigung der Membranoberflächen, die bei einem getauchten Membransystem nur mit großem Aufwand möglich wäre.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Membraneinheit zur Durchführung des Verfahrens.
Bei dem in 1 dargestellten Verfahren wird Meerwasser durch Nanofiltration vorgereinigt und anschließend einer Meerwasserentsalzungsanlage 1 zugeführt. Für die Nanofiltration werden getauchte Membraneinheiten 2 verwendet, die in einer Tiefe zwischen 30 Metern und 250 Metern installiert werden. Das Nanofiltrat wird durch eine permeatseitig installierte Pumpe abgepumpt und durch eine Rohrleitung 3 der Meerwasserentsalzungsanlage 1 zugeführt, die an Land oder einer Off-Shore-Plattform installiert ist.
Die getauchten Membraneinheiten 2 sind mit Schwimmkörpern 4 ausgerüstet und an einem Anker 5 gesichert frei schwebend im Abstand zum Meeresboden gehalten. Die Membraneinheiten 2 werden permeatseitig an einen belüfteten, unter atmosphärischem Druck stehenden Sammelbehälter 6 angeschlossen, aus dem das Nanofiltrat abgepumpt wird. Die Nanofiltrationsmembranen werden der Meeresströmung unmittelbar ausgesetzt und weisen eine außenliegende aktive Schicht auf. Sie sind vertikal ausgerichtet.
Als Membraneinheiten werden Membrantaschen 7 verwendet, die jeweils aus zwei Flachmembranen 8, 8' und einer dazwischen liegenden Drainageschicht 9 für den Abtransport des Nanofiltrats bestehen (2). Die Membrantaschen sind an mindestes einer Längsseite an einem Permeatsammelraum 10 ange schlossen, während die übrigen Längsseiten der Membrantaschen flüssigkeitsdicht versiegelt sind. Die Membrantaschen 7 werden von einem äußeren Stützrahmen 11 so aufgespannt, dass die Membranen von der natürlichen Strömung im Meer überspült werden.
Die Nanofiltrationsmembranen weisen unter den im Tauchbetrieb herrschenden Bedingungen ein Rückhaltevermögen für zweiwertige Ionen, insbesondere Ca²⁺ und SO₄ ^2–, von mehr als 60%, vorzugsweise von 80 bis 98% auf. Einwertige Ionen werden unter den im Tauchbetrieb herrschenden Bedingungen geringer zurückgehalten. Vorzugsweise werden Nanofiltrationsmembranen verwendet, die unter den im Tauchbetrieb herrschenden Bedingungen ein geringes Rückhaltevermögen für einwertige Ionen von weniger als 50%, vorzugsweise von weniger als 25% aufweisen.
Zur Reinigung der Membranoberflächen kann von Zeit zu Zeit entsalztes Wasser aus der Entsalzungsanlage oder salzarmes Brackwasser dem Permeatraum der abgetauchten Membraneinheiten zugeführt und damit eine osmotische Rückspülung der Nanofiltrationsmembranen durchgeführt werden. Osmotische Rückspülung meint, dass sich aufgrund der Konzentrationsdifferenz gelöster Salze zwischen dem Meerwasser und der Permeatseite ein Wasserfluss einstellt, der von der Permeatseite durch die Membranen hindurch in das Meerwasser gerichtet ist. Triebkraft ist die osmotische Druckdifferenz, die abhängig ist von der Konzentrationsdifferenz gelöster Salze.

Claims

Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser, wobei das Meerwasser durch Nanofiltration vorgereinigt und anschließend einer Meerwasserentsalzungsanlage (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Nanofiltration getauchte Membraneinheiten (2) verwendet werden, die mindestens 30 Metern tief in das Meer abgesenkt werden, und dass das Nanofiltrat durch zumindest eine permeatseitig installierte Pumpe abgepumpt und durch eine Rohrleitung (3) der Meerwasserentsalzungsanlage (1) zugeführt wird, die an Land oder auf einer Off-Shore-Plattform installiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membraneinheiten (2) in einer Tiefe zwischen 30 Metern und 250 Metern installiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membraneinheiten (2) mit Schwimmkörpern (4) ausgerüstet und an einem Anker (5) gesichert frei schwebend im Abstand zum Meeresboden gehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membraneinheiten (2) permeatseitig an mindestens einen belüfteten, unter atmosphärischem Druck stehenden Sammelbehälter (6) angeschlossen werden, aus dem das Nanofiltrat abgepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofiltrationsmembranen der Meeresströmung unmittelbar ausgesetzt werden und eine außenliegende aktive Schicht aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanofiltrationsmembranen vertikal ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Membraneinheiten Membrantaschen (7) verwendet werden, die jeweils aus zwei Flachmembranen (8, 8') und einer dazwischenliegenden Drainageschicht (9) für den Abtransport des Nanofiltrats bestehen, wobei die Membrantaschen (7) an mindestens einer Längsseite an einen Permeatsammelraum (10) angeschlossen sind und die übrigen Längsseiten der Membrantaschen (7) flüssigkeitsdicht versiegelt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Membraneinheiten Faserbündel aus Hohlfasermembranen oder Kapillarmembranen verwendet werden, die an mindestens einem Ende an einen Permeatsammelraum angeschlossen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Nanofiltrationsmembranen verwendet werden, die unter den im Tauchbetrieb herrschenden Bedingungen ein Rückhaltevermögen für zweiwertige Ionen, insbesondere Ca²⁺ und SO₄ ^2–, von mehr als 60%, vorzugsweise 80 bis 98%, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dass Nanofiltrationsmembranen verwendet werden, die unter den im Tauchbetrieb herrschenden Bedingungen ein geringes Rückhaltevermögen für einwertige Ionen von weniger als 50%, vorzugsweise von weniger als 25%, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung der Membranoberflächen von Zeit zu Zeit entsalztes Wasser aus der Entsalzungsanlage (1) oder salzarmes Brackwasser dem Permeatraum der abgetauchten Membraneinheiten (2) zugeführt und damit eine osmotische Rückspülung der Nanofiltrationsmembranen durchgeführt wird.